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Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Seminario di R. Feynman (1) There's Plenty of Room at the Bottom /An Invitation to Enter a.

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Presentazione sul tema: "Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Seminario di R. Feynman (1) There's Plenty of Room at the Bottom /An Invitation to Enter a."— Transcript della presentazione:

1 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Seminario di R. Feynman (1) There's Plenty of Room at the Bottom /An Invitation to Enter a New Field of Physics/ /by Richard P. Feynman (29-Dic-1959) In the year 2000, when they look back at this age, they will wonder why it was not until the year 1960 that anybody began seriously to move in this direction. Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?

2 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 2 Seminario di R. Feynman (2) So, ultimately, when our computers get faster and faster and more and more elaborate, we will have to make them smaller and smaller. But there is plenty of room to make them smaller. There is nothing that I can see in the physical laws that says the computer elements cannot be made enormously smaller than they are now. In fact, there may be certain advantages.

3 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 3 Seminario di R. Feynman (3) But if your machine is only 100 atoms high, you only have to get it correct to one- half of one percent to make sure the other machine is exactly the same size---namely, 100 atoms high! At the atomic level, we have new kinds of forces and new kinds of possibilities, new kinds of effects.

4 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 4 Costruzione dispositivi integrati

5 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 5 Miniaturizzazione di un MOSFET Miniaturizzazione di un MOSFET Si passa da 6000 m 2 A 50 m 2. Oggi: 0,5 m 2 (0,1x0,1 m)

6 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 6 Esempio di costruzione di un MOSFET

7 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 7 Scala di integrazione I circuiti integrati si classificano in base al numero di componenti: Circuiti integrati su piccola scala (SSI): componenti Circuiti integrati su media scala (MSI): componenti Circuiti integrati su larga scala (LSI): componenti Circuiti integrati su larghissima scala (VLSI): > componenti

8 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 8 Miniaturizzazione (1) Problema: come ridurre le dimensioni del dispositivo MOS mantenendone inalterate le caratteristiche di funzionamento. Parametro fondamentale: L = lunghezza di canale

9 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 9 Miniaturizzazione (2) Se W S = larghezza della giunzione sorgente-substrato E W D = larghezza della giunzione collettore-substrato Quando W S +W D L le due regioni comunicano direttamente (punch-through) Il gate non svolge più lazione di controllo non vale più il modello detto a canale lungo.

10 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 10 Miniaturizzazione (3) W S 2 = h(V bi + V BS ) ; W D 2 = h(V D + V bi + V BS ) Con: h = 2 S /(qN A ) = costante che dipende dal materiale A seconda delle condizioni di funzionamento il limite di canale corto può variare. Soluzione: si riscalano di un fattore k > 1 tutte le dimensioni geometriche ed anche le tensioni, in modo che i campi elettrici rimangano costanti (campo elettrico = tensione/distanza)

11 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 11 Miniaturizzazione (4) Cosa accade alle grandezze caratteristiche? V 1 = V 0 /k ; C 0 1 = C 0 k ; potenza 1 = (potenza) 0 /k 2 ; (Energia di commuta.) 1 = (Energia di commutazione) 0 /k 3 ; (Densità di corrente) 1 = (Densità di corrente ) 0 k Limite perché la massima densità di corrente è di circa 10 5 A/cm 2 per un conduttore di alluminio.

12 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 12 Miniaturizzazione (5) 0,08 m = 80 nm limiti industriali attuali 0,35 m CPU ,13 m CPU oggi

13 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 13 Limiti fondamentali (1) Limite quantistico sullenergia: Una operazione svolta in un tempo implica una energia necessaria E tale che: E > h/2 con h = 6.63x J s Per = s = 10 ps (frequenza di 100 GHz) E min = J Per un MOSFET attuale: E = J Siamo ancora abbastanza lontani

14 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 14 Limiti fondamentali (2) Tempo minimo di transito in una cella: Se la cella ha le dimensioni x applicando una tensione V si ha un campo elettrico: E = V/ x Se la velocita di saturazione è v s, il tempo necessario sarà: = x/v s ; Se la tensione minima corrisponde alla energia termica divisa la carica elementare: V=kT/q per il silicio usando: E max = V/cm e v s = 10 7 cm/s si ottiene: min = 5 x s

15 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 15 Oggi Limiti fondamentali (3) min = 5 x s

16 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 16 Limiti fondamentali (4) Spessore dellossido di gate (5 nm) al di sotto si rischia il passaggio degli elettroni attraverso lossido (effetto tunnel quantistico) Limite termico per la commutazione casuale: kT La tensione di funzionamento >> kT/q

17 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 17 Limiti fondamentali (5) Limite di densità di corrente sulle linee di connessione: La corrente di uscita di una porta MOSFET è circa 1 A che ripartita su una linea da 1 m 2 Da una densità di corrente: J=I/A = 10 5 A/cm 2 Molto vicino al valore limite !!!!

18 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 18 Limiti fondamentali (6) Limite di potenza per caricare e scaricare i nodi di un circuito: La potenza può esprimersi come: P = 0.5 CV 2 nf dove n = numero dei dispositivi per piastrina f = frequenza con cui si ripete loperazione C = capacità di un singolo dispositivo La potenza si trasforma in energia termica che deve essere dissipata aumenta la temperatura

19 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 19 Limiti fondamentali (7) Laumento di temperatura deve essere limitato, altrimenti gli elettroni acquisirebbero abbastanza energia da scavalcare la banda proibita (per il silicio con banda di 1.1 eV T = 100 °C) Data una dissipazione tipica di 1 Watt per un contenitore di piastrina attuale, o si limita il numero porte presenti sulla piastrina, o si limita la frequenza a cui operano. Es. con NMOS da 1 m, e C = PF, e f = 2GHz Massimo di 10 5 dispositivi su una piastrina.

20 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 20 Limiti fondamentali (8) Oggi Processo Oggi Lab

21 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 21 Quale futuro? Sembra chiaro che al di sotto di 10 nm (100 diametri atomici) non si dovrebbe andare con lattuale substrato di semiconduttori. Sia per fattori statistici (meccanica quantistica) che di percentuali di drogaggio Perché diminuisce il numero di atomi droganti presenti in quella lunghezza. serve una rivoluzione tecnologica (nanotecnologie?) (Nel 2004 costruito un transistor di 5 nm di lunghezza di gate) (IBM e NEC)

22 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 22 Futuri FET: nanotubi? Spessore di un nanotubo: decine di nm (milionesimi di millimetro) (Le Scienze)

23 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 23 Future memorie? We report on a simple electromechanical memory device in which an iron nanoparticle shuttle is controllably positioned within a hollow nanotube channel. The shuttle can be moved reversibly via an electrical write signal and can be positioned with nanoscale precision. The position of the shuttle can be read out directly via a blind resistance read measurement, allowing application as a nonvolatile memory element with potentially hundreds of memory states per device. The shuttle memory has application for archival storage, with information density as high as 1012 bits/in 2, and thermodynamic stability in excess of one billion years.

24 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 24


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